Metabolismo dell'eme

(ALA)

Enzima: ALA sintasi

Il Succinil-CoA è molto abbondante nel mitocondrio in

quanto deriva dal ciclo di Krebs.

L’enzima ALA sintasi utilizza come cofattore il PLP che

permette l’attacco della glicina e la rimozione del CoA.

Il PLP agisce formando prima un’aldimina interna e poi

un’aldimina esterna.

Il primo intermedio che si forma è un acido, l’acido δ-amino β-cheto adipico, che va incontro a decarbossilazione liberando una

CO2 e formando acido δ-aminolevulinivo (ALA).

Questa reazione costituisce il check- point della sintesi dell’eme: la regolazione della quantità di eme è molto importante perché

un suo eccesso può causare stress ossidativo e sottrarre ferro alla cellula, un suo difetto causa mancato trasporto di ossigeno e

detossificazione del fegato.

L’eme stesso è una molecola regolatrice nei confronti dell’ALA sintasi:

- L’eme è un inibitore a feedback dell’ALA sintasi

- L’eme può inibire la sintesi dell’ALA sintasi, controllando l’emivita del trascritto di mRNA.

- L’eme può inibire il trasporto dell’ALA sintasi dal citoplasma al mitocondrio: l’ALA sintasi è un enzima prodotto dai

ribosomi nel citoplasma e deve poi essere trasportato nel mitocondrio.

- L’assenza di eme determina una massiva produzione di ALA sintasi

Fegato e midollo osseo hanno due esigenze metaboliche diverse, per cui esistono due diverse isoforme dell’enzima ALA sintasi:

- ALA sintasi I: nel fegato. La regolazione a livello del fegato si basa sul pool di eme in generale, ed è focalizzata sul

bilancio del citocromo p450. È regolata anche da glucosio, barbiturici, contraccettivi orali.

- ALA sintasi II: nel midollo osseo. La regolazione a livello del midollo si basa essenzialmente sulla disponibilità di ferro da

coniugare al gruppo.

II tappa

2 acido δ-aminolevulinivo (ALA) →

porfobilinogeno (PBG) + 2H O

2

Enzima: porfobilinogeno sintasi

Questa seconda tappa avviene nel

citoplasma e prevede l’unione di due

molecole di ALA e il rilascio di 2H O.

2

L’enzima porfobilinogeno sintasi è inibito

dal Piombo, che può sostituire lo zinco

presente nell’enzima fisiologicamente e che

presentando reattività diversa intrappola

l’enzima che non è più in grado di catalizzare la reazione. -

Il prodotto della reazione è il porfobilinogeno, un composto costituito da un eterociclo a 5 atomi con azoto, acetato (-CH2-COO )

-

e gruppo propionico (CH2-CH2-COO )

III tappa →

4 porfobilinogeno (PBG) tetrapirrolo

lineare

Enzima: uroporfirinogeno sintetasi

In questa reazione l’enzima

uroporfirinogeno sintetasi condensa 4

molecole di PBG e forma il tetrapirrolo in

forma lineare, eliminando tre molecole di

ammoniaca e lasciandone una terminale.

IV tappa →

Tetrapirrolo lineare uroporfirinogeno III

Enzima: uroporfirinogeno III co-sintetasi

In questa reazione avviene la chiusura

dell’anello tetrapirrolico. Durante la

chiusura viene invertita la posizione dei

sostituenti sull’anello IV (acetato e propionato) e viene eliminata l’ultima ammoniaca.

In assenza dell’enzima uroporfirinogeno III co-sintetasi si forma per via non enzimatica

l’uroporfirogeno I, i cui sostituenti sull’anello IV non sono invertiti. Questo metabolita non può

svolgere le funzioni normali.

V tappa →

Uroporfirinogeno III coproporfirinogeno III

Enzima: uroporfirinogeno decarbossilasi

In questa reazione l’enzima uroporfirinogeno decarbossilasi decarbossila i gruppi acetati in metili,

formano 4 CO e il coproporfirinogeno III.

2

IV tappa →

Coproporfirinogeno III Proporfirinogeno IX

Enzima: coproporfirinogeno ossidasi

In questa reazione due gruppi propionati diventano gruppi vinilici. L’enzima coproporfirinogeno

2+

ossidasi è O dipendente e utilizza Mn . Nei batteri questo enzima esiste anche in forma O

2 2

indipendente perché in condizioni di anaerobiosi o microaerobiosi i batteri hanno bisogni di emoproteine per sostenere catene

respiratorie alternative.

VI tappa →

Proporfirinogeno IX Portoporfirina IX

Enzima: Protoporfirinogeno ossidasi

In questa reazione avviene l’ossidazione di gruppi metilenici (-

CH2) in gruppi metinici (CH=), con la formazione della

Portoporfirina IX. L’enzima Protoporfirinogeno ossidasi è una

flavoproteina.

VII tappa Portoporfirina IX + Ferro

Enzima: ferrochelatasi

La ferrochelatasi incorpora il ferro al centro del macrociclo. 4

legami di coordinazione che il ferro può fare sono con gli atomi di

azoto del tetrapirrolo a livello planare, gli altri due sono con la

proteina che ospita l’anello.

A questo punto l’eme lascia il mitocondrio per entrare nel citoplasma dove viene coniugato alla globina per ottenere

l’emoproteina. Per altre molecole che incorporano l’eme, come i citocromi, ci sono meccanismi più complessi e sistemi

enzimatici che assistono la maturazione.

Patologie: porfirie

Le porfirie sono malattie genetiche dovuta alla diminuita attività, nel fegato o nelle cellule eritropoietiche di uno degli enzimi

coinvolti nella sintesi dell’eme. Causano:

- accumulo di intermedi di biosintesi

- carenza di eme, che stimola la ALA sintasi

I sintomi sono solitamente fotosensibilità (per accumulo di porfirinogeno nella pelle) e disturbi neurologici.

Le porfirie si dividono in:

- Porfirie eritropoietiche

- Porfirie epatiche

Porfiria eritropoietica

La porfiria eritropoietica congenita è provocata dalla carenza dell'uroporfirinogeno III co-sintetasi: non si formerà

l'uroporfirinogeno III con acetato e propionato invertiti nel quarto anello, ma l'uroporfirinogeno I, per reazione non enzimatica.

Quest'ultimo verrà trasformato in coproporfirinogeno I che non potrà essere utilizzato. L'accumulo di uroporfirinogeno I e

coproporfirinogeno I può avvenire a diversi livelli:

- Nella pelle, con fotosensibilità che può causare ulcerazioni e cicatrici

- Nella cartilagine e nell'osso, dove può provocare deformazione di viso e mani

- Nei denti, che possono assumere colore rosso-bruno, fluorescenti

- Nelle urine, che assumono un colorito rosso.

Si ha anche una carenza di eme, la quale dunque può provocare una forte anemia. La fotosensibilità è dovuta all'azione della

luce, che forma radicali liberi dalle porfirine; i radicali liberi vanno poi ad ossidare i lipidi della membrana dei lisosomi, i quali

dunque vanno a liberare nella cellula diverse idrolasi. Come difesa dalla luce si ha la crescita di una fine peluria sul volto ed alle

estremità degli arti.

Porfiria epatica

La porfiria acuta intermittente (epatica) è provocata dalla carenza di PBG deaminasi (uroporfirinogeno sintetasi), l'enzima

responsabile dell'unione delle 4 molecole di PBG. In assenza di questo enzima si ha un accumulo di PBG; la carenza di eme

inoltre provoca attivazione dell'ALA sintetasi, e si ha dunque un notevole accumulo di ALA.

Sintomi:

- dolori addominali (in alcuni casi viene scambiata per un attacco di appendicite)

- nausea, vomito

- disordini neurologici come neuropatia motoria, paralisi, parestesie

- sintomi psichiatrici come tachicardia, psicosi, stato di agitazione.

Diagnosi:

La diagnosi di porfiria acuta intermittente può essere confermata dalla presenza di PBG e ALA nelle urine

Terapia:

terapia prevede somministrazione endovena di eme: in questo modo infatti l'eme viene assorbito nel fegato, dove sopprime la

sintesi di ALA sintetasi abbassando rapidamente i livelli ematici e urinari di PBG e ALA. I sintomi in genere regrediscono entro

pochi giorni.

Questa patologia viene descritta come “intermittente” perché si manifesta come crisi scatenate o acuite da una aumentata

necessità di sintetizzare ALA sintetasi o citocromo P450.

I citocromi P450 sono una famiglia di emoproteine che intervengono nei processi di:

- ossidazione di substrati esogeni ed endogeni, come per esempio nell'attivazione o inattivazione di farmaci

- sintesi di ormoni steroidei

- reazioni di detossificazione epatica (per esempio alcool)

La maggior parte degli attacchi acuti sono infatti scatenati dall'assunzione di farmaci come barbiturici, antiepilettici e antibiotici,

da un eccesso di alcol che deve essere smaltito, da diete ipocaloriche e da fluttuazioni ormonali. Nelle donne il rischio è

aumentato di tre volte per la necessità di sintetizzare ormoni sessuali femminili, in particolare il progesterone, il quale è anche

contenuto nei contraccettivi orali e viene usato nella terapia ormonale sostitutiva prescritta alle donne in post-menopausa.

Un'ipotesi per spiegare i sintomi neurologici della porfiria potrebbe essere che l'ALA risulta tossico per il cervello, perché

assomiglia alla struttura del neurotrasmettitore GABA.

Catabolismo dell’eme

Osserviamo il catabolismo dell’eme derivante dalle globine, che costituisce oltre il 90% dell’eme presente nelle cellule.

Degradazione dei globuli rossi

I globuli rossi vengono degradati a livello della milza, all’interno dei lisosomi dei macrofagi. Da questa degradazione si ottiene:

- Globina, una proteina che viene degradata nei suoi componenti amminoacidici

- Eme, che viene scisso successivamente in porfirina e ferro.

La porfirina viene degradata in bilirubina e trasportata legata all’albumina

attraverso il sangue al fegato dove l’epatocita coniuga la bilirubina con l’acido

glucuronico. La flora batterica attua modificazioni e il prodotto finale viene

escreto tramite i reni e le urine oppure tramite le feci.

I tappa →

Eme biliverdina

Enzima: eme ossigenasi

In questa reazione l’atomo di Ferro viene rimosso dal centro della anello della

porfirina tramite l’utilizzo dell’ossigeno O . La reazione determina anche la

2

rottura di un ponte metilico, quello fra l’anello 1 e l’anello 2, che comporta la

formazione di un derivato lineare, la biliverdina. Nel sito di rottura sono

presenti due gruppi carbonilici. +

Sono substrati nella reazione il NADPH che viene ossidato a NADP , ristabilita

poi dal NADPH-citocromo p450 reduttasi, mentre un atomo di ossigeno

utilizzato, insieme al carbonio del gruppo metilico, formano monossido di

carbonio (CO), estremamente pericoloso perché si lega alle globine ferrose con

un’altissima affinità.

Il colore caratteristico della biliverdina è il verde.

II tappa →

Biliverdina bilirubina

Enzima: biliverdina reduttasi

Questa reazione prevede la saturazione del ponte centrale che collega gli anelli pirrolici. La reazione comporta l’ossidazione del

NAPDH a NADP